填埋场覆盖材料的甲烷氧化能力及其影响因素研究

通过室内模拟试验比较了填埋场典型覆盖材料的CH4氧化特性,并进一步分析了温度、含水率和接种措施等对覆盖材料CH4氧化性能的影响.结果表明,覆盖材料的CH4氧化能力依次为陈腐垃圾＞老覆土＞堆肥＞新覆土;含水率对物料CH4氧化速率的影响较大,且影响程度与物料的物理特性有关,最佳含水率在25%左右;覆盖材料的CH4氧化能力随...     

新型覆土材料的CH_4氧化能力与N_2O释放能力

在垃圾卫生填埋处理技术中,覆土材料的选择对处理成本和技术都至关重要.探究了新型覆土材料(矿化垃圾+牛粪+木屑)的CH4氧化能力,并进一步分析了温度、含水率、初始φ(CH4)和好氧厌氧等环境因素对CH4氧化能力的影响.结果表明:1新型覆土中矿化垃圾的填埋龄不同,其CH4氧化能力也有所差异,填埋龄较久的覆土B(10 a)、C(15 a)在培养时间内对CH4去除率和氧化速率均明显高于覆土A(5 a);2当温度为30℃、含水率为35%时,新型覆土的CH4氧化能力最高;3用米歇尔-门坦方程表征CH4降解的过程,R2(相关系数)为0.993,CH4氧化速率最大值为5.21μmol/(g·h),半速常数为5.48%;4厌氧环境中新型覆土具有CH4氧化能力,而厌氧环境中CH4去除率相对好氧环境更慢,培养20 d后,厌氧环境CH4去除率为83%;5当土壤孔隙含水率分别为46%、70%时,覆土干湿交替导致的N2O和CO2释放量远小于CH4氧化量,故N2O增温效应可忽略.由矿化垃圾+牛粪+木屑组成的新型覆土材料的CH4氧化速率最大值比现有覆土材料高1~2个数量级,其可应用于不同类型填埋场,特别是降雨较多的南方垃圾填埋场,可有效减缓垃圾填埋气CH4的释放影响.     

土壤粒径、氮素及重金属对填埋场覆土CH_4氧化的影响

采用批式培养试验重点研究了土壤粒径、NH4+-N和NO3--N及重金属〔Zn和Cr(Ⅵ)〕含量对填埋场砂性覆土及一般砂土CH4氧化能力的影响.结果表明:合适的土壤粒径能显著提高砂性覆土和一般砂土的CH4氧化能力(P0.05),当粒径为1.00~2.00 mm时,砂性覆土和一般砂土的CH4氧化速率分别高达0.24和0.12μmol/(g·h).低浓度NH4+-N或NO3--N均可以促进砂性覆土和一般砂土的CH4氧化,而高浓度则会明显抑制CH4氧化.砂性覆土和一般砂土的外源氨氮和外源NO3--N的投加量(以w计)临界值均为200 mg/kg,砂性覆土对NH4+-N浓度的波动有更好的适应能力;重金属Zn、Cr(Ⅵ)对砂性覆土和一般砂土CH4氧化的抑制作用均随浓度的升高而增强,Zn对砂性覆土CH4氧化的抑制作用程度大于Cr,并且Zn对一般砂土CH4氧化的抑制程度明显强于砂性覆土.为此,筛选合适粒径级配的土壤,同时控制覆土中氮素及重金属的本底含量,有利于填埋场CH4氧化.     

垃圾填埋场覆土层Ⅱ型甲烷氧化菌的群落结构

采用基于16S rDNA 的变性凝胶梯度电泳(DGGE)技术研究了生活垃圾卫生填埋场和生物反应器填埋场覆土中Ⅱ型甲烷氧化菌群落结构,比较了不同填埋操作方式对Ⅱ型甲烷氧化菌的影响.结果表明,覆土铺有HDPE 膜、无填埋气体渗入的填埋覆土中未发现Ⅱ型甲烷氧化菌;而有填埋气体渗入时,进行渗滤液亚表面灌溉的生物反应器填埋场,无论是否同时进行层内回灌,其覆土中均检测到甲烷孢囊菌(Methylocystis).卫生填埋场填埋龄长达5a 的填埋覆土中发现了甲基弯菌(Methylosinus),填埋龄较低的填埋场覆土中未发现II 型甲烷氧化菌.渗滤液亚表面灌溉及长时间填埋气体驯化能促进Ⅱ型甲烷氧化菌的生长.有机质等营养物质丰富而NH4+-N浓度较低的填埋覆土有利于Ⅱ型甲烷氧化菌的生长.     

硝酸盐和甲烷对覆土中苯系物厌氧氧化的影响

苯系物是填埋场填埋气中恶臭有机气体的重要成分之一,填埋气中的CH4则是重要的温室气体.填埋覆土层中的微生物可以氧化CH4和苯系物,因此,强化微生物的氧化效能有助于削减和控制填埋气的污染.电子受体还原可耦合甲烷和某些有机物的厌氧氧化,从而去除甲烷和有机物.鉴此,本研究通过静态培养试验,分析了电子受体SO2-4共存条件下,NO-3和CH4共存对覆土中苯系物厌氧降解的影响.结果表明不外加NO-3时,苯系物抑制CH4的降解,加入NO-3后,苯系物共存反而有利于CH4的去除;单独添加NO-3或CH4都能促进填埋覆土中苯系物的去除;而同时添加NO-3和CH4能更好地促进苯系物的去除,甲苯、二甲苯和异丙苯的去除率最高可达65%、88%和82%,远高于不添加NO-3和CH4对照处理的53%、76%和31%;NO-3还原与CH4厌氧氧化耦合过程能同步促进苯系物的厌氧氧化.     

氨氧化菌对填埋场CH_4协同氧化及铵抑制作用的研究

借助乙炔(C2H2)抑制和添加外源铵盐,采用批式培养试验,在初始CH4浓度为16%的条件下模拟填埋场高CH4浓度环境,通过分析样品中氨氧化菌对CH4氧化的贡献率及铵对CH4氧化的抑制率,研究了填埋场覆盖土、矿化垃圾、砂土和黏土中氨氧化菌对CH4协同氧化及铵抑制作用.结果表明:4种供试样品中氨氧化菌对CH4氧化的贡献率在5.64%~16.24%之间,次序为砂土黏土覆盖土矿化垃圾,覆盖土中的贡献率为14.90%,比矿化垃圾低8.25%,填埋场样品(矿化垃圾和覆盖土)是一般土壤(砂土和黏土)的1.8~10.9倍.铵对CH4氧化过程的抑制率在11.90%~24.84%之间,次序为砂土黏土覆盖土矿化垃圾,覆盖土中为23.21%,比矿化垃圾低6.56%,填埋场样品是一般土壤的0.9~2.1倍.填埋场样品中氨氧化菌对CH4氧化的贡献率及铵对CH4氧化的抑制率明显高于一般土壤.     

驯化矿化垃圾CH4氧化速率和N2O释放研究

利用畜禽废水驯化矿化垃圾,并将其与原生矿化垃圾和粘土对比,分析了土壤理化性质、含水率、温度等对CH4氧化能力和N2O释放的影响.研究表明:驯化矿化垃圾对CH4的氧化能力(15.48 μmol·g-·h-1)明显高于原生矿化垃圾和所选粘土土样;材料的粒径尺寸、有机质、氨氮硝化率及硝态氮生成率均与CH4氧化能力有着显著的正相关性;驯化矿化垃圾在加入蒸馏水后释放大量的N2O,产生N2O的量是原生矿化垃圾的2倍,并且比粘土高一个数量级.由于驯化矿化垃圾对环境的适应能力强,CH4氧化能力高,进而能够减少温室气体排放,可作为一种较为理想的填埋场覆土材料.     

甲烷氧化菌在填埋场覆盖层的工程应用 (Ⅰ):分离与筛选

选取了湖泊底泥、矿化垃圾、覆盖土和好氧污泥4种填埋场周边易得基质为分离源,采用驯化、传代培养、甲烷氧化能力及适应性等方法进行了适合于填埋场覆盖层应用的甲烷氧化菌的筛选研究.结果表明,从好氧污泥中分离得到的甲烷氧化菌较其它分离源得到的甲烷氧化菌具有更高的甲烷氧化活性(2461.29μg·h-1·g-1,以每g干污泥每小时氧化的CH4量(μg)计,下同)和甲烷氧化速率增幅(1045.56μg·h-1·g-1,以每g干污泥每小时氧化的CH4量(μg)计,下同),接种后能显著提高覆盖材料的甲烷氧化能力(p0.05),且不受CH4浓度的抑制.源自好氧污泥的甲烷氧化菌具有生长迟滞期短、生长速率高等特点,对填埋场的甲烷削减更具适应性,有利于工程扩大应用.     

生物炭添加对半干旱地区土壤温室气体排放的影响

为确定生物炭添加对半干旱地区农田土壤温室气体释放的影响,采用小区定位试验,利用锯末(J)和槐树皮(H)及3种添加比例(1%、3%、5%,质量百分比),研究了生物炭添加6个月内表层土壤CO2、CH4和N2O等3种温室气体排放的动态变化.结果表明,与对照相比,各处理土壤CO2排放通量随生物炭的添加呈现增加的趋势,锯末和槐树皮等两种生物炭处理的土壤CO2平均排放通量分别增加了1.89%和3.34%,但差异不显著.CH4排放随着生物炭添加量的增加而降低,各生物炭处理的土壤表层CH4排放量平均降幅分别为:J1:1.17%、J3:2.55%、J5:4.32%、H1:2.35%、H3:5.83%、H5:7.32%.其中,锯末生物炭仅在5%添加量时较对照差异显著(P0.05),而槐树皮生物炭处理在3%和5%的添加量与对照差异均达显著水平(P0.05).生物炭对N2O的排放影响没有明显规律性.研究表明,生物炭在短期内对半干旱地区农田土壤CO2和N2O的排放没有显著影响,而对CH4排放则影响显著(P0.05).就生物炭类型而言,槐树皮生物炭在抑制CH4排放方面优于锯末生物炭,差异显著(P=0.048).     

硅烷偶联剂改性生物炭的疏水性能优化试验

为了开发一种改善填埋场覆盖层疏水透气性能的材料,该文采用硅烷偶联剂KH570为改性剂,对生物炭进行疏水改性。考察了改性时间、改性剂与改性材料比、改性温度、烘干时间、烘干温度对生物炭疏水性能的影响,并对改性后生物炭的形态和结构进行表征。结果表明,疏水性生物炭的最佳工艺条件为:改性剂与改性材料比为11∶1,改性温度30℃,改性时间12 h,烘干温度为50℃,烘干时间为4 h。扫描电镜和红外光谱分析表明KH570中的疏水性基团有效地结合到生物炭表面,达到了疏水改性的目的。     

某非正规垃圾填埋场场地调查与污染评价

为全面了解某非正规垃圾填埋场的污染状况,对该研究区填埋气、渗滤液及腐殖土进行采样分析,并采用单因子污染指数法、内梅罗污染指数法和地积累指数法综合评价该垃圾填埋场腐殖土中的重金属污染状况。结果表明:填埋气甲烷含量为2.59%~53.62%,仅1/5的点位浓度低于5%,且H₂S、NH₃、臭气和非甲烷总烃的浓度存在显著超标情况。就垃圾渗滤液而言,有11种污染指标超过GB 16889—2008《生活垃圾填埋场控制标准》,其中色度、悬浮物、COD、BOD₅、总氮及氨氮点位超标率为100%。以GB 36600—2018《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管理标准（试行）》第1类用地风险筛选值为标准,单因子污染指数及地积累指数评价结果表明:部分点位腐殖土中存在Ni和Pb轻微或轻度污染。内梅罗污染指数法评价结果进一步表明场地中部分点位腐殖土的重金属综合污染水平为轻度。总体上该垃圾填埋场存在较大安全隐患,应引起重视。该研究方法及结论可为类似场地污染评价工作提供技术参考。     

酸碱改性对生物炭吸附Cr(Ⅵ)性能的影响

生物炭因具有原料来源广泛、表面活性官能团含量丰富、性质稳定等特点,近年来,在环保领域作为重金属处理吸附剂受到越来越多的重视。使用松木屑在碳化温度为400 ℃条件下制备生物炭(简称AB400),并使用HNO₃、H₃PO₄、NH₃·H₂O、Ca(OH)₂对生物炭进行改性。借助SEM、FTIR、BET、Boehm滴定法和Zeta电位测定等方法对改性前后AB400表征,并进行Cr(Ⅵ)吸附实验。改性后生物炭结构呈半穿透至穿透状圆形塌陷,存在微孔。酸性改性条件下,HNO₃改性生物炭(简称AB400HNO₃)、H₃PO₄改性生物炭(简称AB400H₃PO₄)中酸性官能团含量均有所升高,且生物炭pH均减小,其对应pH_pzc增大,而碱改性的生物炭则反之。对于Cr(Ⅵ)的吸附,酸性改性生物炭在整体上的吸附效果优于碱性改性生物炭,其中AB400H₃PO₄吸附效果最佳,吸附容量从58.48 mg/g提高至101.82 mg/g。这是因为碱性改性生物炭表面为负电荷,与Cr(Ⅵ)的含氧阴离子相斥;而AB400HNO₃微孔容积较小,圆形塌陷数量甚微,表面虽正电荷,但吸附性能不及AB400H₃PO₄。     

Cu/Al2O3低温催化氧化H2S研究

高效低成本的催化剂是低温催化氧化脱除硫化氢（H₂S）的研究重点,采用浸渍法研制了Cu/Al₂O₃催化剂,利用N₂物理吸附、XRD（X射线衍射分析）、XPS（光电子能谱）、FT-IR（傅里叶变换红外光谱）等表征手段了解催化剂的表面结构和物相结构,并开展不同温度、相对湿度、Cu负载量条件下的H₂S动态脱附以考察催化剂脱硫性能.结果表明:①催化剂是一种典型的介孔材料,且CuO和Cu₂O高度分散在催化剂表面.②FT-IR结果表明,催化剂在H₂S催化氧化过程中表面Cu_xO和表面结合水中的羟基均参与反应,且有SO₄2-的生成.③XRD、XPS结果表明,脱硫过程中有S单质和CuS的生成.④适宜的温度（50℃）和相对湿度（50%）会显著增强Cu基催化剂的脱硫性能.⑤负载量为3%的Cu基催化剂具有最佳的脱硫性能,穿透硫容量高达220.92 mg/g.研究显示,利用浸渍法可以合成低温催化氧化H₂S的高硫容Cu基催化剂.      

生物炭填埋场土壤覆盖层的甲烷减排性能和生物特征

覆盖土的组分与甲烷生物氧化潜力效率密切相关.将水稻秸秆生物炭与填埋场覆盖层土壤以一定的比例混合后填充入覆盖层模拟柱,形成生物炭土壤覆盖层模拟柱(RB),同时设置土壤覆盖层模拟柱(RS)为对照组,考察生物炭的添加对覆盖层的甲烷减排性能和生物特征的影响.结果表明:RB的甲烷减排性能提升较快,第81d时进气中99%的甲烷已被去除,RS在第95d时才达到99.16%的甲烷减排率;RS上、中、下3层的优势甲烷氧化细菌(MOB)为Methylocaldum,而RB的上层和中层为Methylobacter,下层则为Methylocaldum.至试验末期时,RS在上、中、下3层的总MOB相对丰度分别为9.05%、5.95%和42.12%,RB则分别为50.81%、42.67%和31.41%.同时在RS和RB中均检测出厌氧甲烷氧化古菌.由此表明生物炭的添加改变了填埋场土壤覆盖层的菌属分布,促进了MOB的生长,提高了甲烷减排性能.     

RSI-MO反应器强化沼气原位深度脱硫研究

为实现剩余污泥厌氧消化沼气原位深度脱硫,采用向反应器中嵌入最佳剂量(20g/L)废铁屑并引入微氧条件,构建废铁屑-微氧(RSI-MO)工艺,探索微氧效应对厌氧消化稳定性、效率、脱硫的影响.试验分7阶段,P1阶段对照组,P2阶段加入RSI,P3~P7阶段逐步提高O₂剂量. 结果表明,MO激发硫氧化菌生物脱硫,促发RSI化学腐蚀而生成铁硫沉淀物,耦合生物脱硫与化学除硫作用.P3~P7阶段,随O₂剂量的提高,H₂S浓度呈降低趋势,而残余O₂浓度呈升高趋势.综合来看,P6阶段反应器厌氧消化效率和脱硫效率最佳,甲烷产率达301.1mL/gCOD、沼气H₂S浓度为113mg/m³,较P1阶段分别提高37.65%和99.40%.通过硫平衡分析发现,P6阶段存在于固、液、气三相硫元素含量分别占84.0%、11.9%、0.21%.表明RSI-MO工艺可实现沼气原位深度脱硫.     

碱铜联合改性珠状活性炭及其对甲苯的吸附机理

为了提高活性炭吸附材料对非极性污染物的吸附性能,采用碱[（NaOH溶液）联合铜（Cu（CH₃COO）₂溶液]对珠状活性炭（beaded active carbon,BAC）进行改性,利用BET、SEM、Boehm滴定和FT-IR对改性前后的活性炭进行表征,并采用动态吸附法和Yoon-Nelson吸附理论模型研究了不同改性方法对活性炭吸附甲苯穿透曲线、饱和吸附量的影响及吸附机理.结果表明:改性后BAC表面不规则的孔隙增多,比表面积和微孔容积减少,平均孔径变化不显著,表面Cu含量明显升高;不同浓度碱铜联合改性后BAC对甲苯的吸附性能均提高,当NaOH溶液浓度为8 mol/L、Cu（CH₃COO）₂溶液质量分数为0.5%时,联合改性效果最好,此时改性后BAC对甲苯的饱和吸附量较改性前增加了50.9%,吸附穿透时间延长了342.9%,吸附平衡时间延长了77.4%.研究显示:较高浓度的碱联合较低浓度的铜溶液对活性炭改性,能显著提高吸附甲苯性能;改性后BAC对甲苯的吸附性能受自身孔隙结构和表面官能团的共同影响,且表面酸性官能团影响显著,表面金属铜与甲苯的结合作用是主要的吸附过程.      

空气注入原位去除鸡粪发酵沼气中H2S

鸡粪厌氧发酵产沼气中H₂S含量高,在发电或提纯制备生物燃气前需要对其进行去除.开展批次鸡粪发酵试验,向发酵瓶中通入微量空气,通过生物氧化作用去除H₂S.试验以连续稳定运行90d的中温厌氧罐出料为接种污泥,通入7~50mL/gVS的空气.结果表明,空气通入显著地降低了沼气中的H₂S浓度,空气通入量为30mL/gVS的实验组平均脱硫效率最高,达到62%.同时,该空气通入条件下累积甲烷产量达到335mL/gVS,相较于空白累积甲烷产量提升了78.6%.通入微量空气的生物脱硫方法具有工艺简单和高效脱除H₂S的应用前景.     

氧化硫硫杆菌固定化菌球制备及其耦合填料去除H2S

以海藻酸钠(SA)为包埋载体,对氧化硫硫杆菌(Acidithiobacillus thiooxidans)进行固定化制备菌球,优化菌球制备条件,在生物滤塔内验证其对H₂S的去除能力.以前期驯化获得的富含硫系恶臭降解微生物菌群的污泥为菌源进行生物滤塔填料筛选,耦合A.thiooxidans菌球和填料进行生物除臭.结果表明,优选的固定化条件为:SA浓度3.0%､吸附剂CNT､A.thiooxidans菌悬液与混合液比例20%､CaCl₂浓度4.0%､改性剂己二胺溶液,获得的菌球机械强度､传质性能､硫氧化能力最好.将A.thiooxidans菌球填装于生物滤塔,H₂S最大去除率和去除能力为70%和1.06g H₂S/m³·h.以混合挂膜方式进行填料挂膜后,在聚氨酯泡沫､活性碳布和陶粒中优选出最佳填料活性碳布,获得H₂S最大去除率和去除能力为88%和0.84g H₂S/m³·h.以混合填装方式将A.thiooxidans菌球与活性碳布填装于生物滤塔,获得H₂S最大去除率和去除能力为86%和1.00g H₂S/m³·h.     

城市污泥堆肥对土壤温室气体排放的短期影响

采用田间试验,施用2种城市污泥堆肥（含生物质炭和不含生物质炭）,通过静态暗箱-气相色谱法研究污泥堆肥土地利用过程温室气体排放特征,探讨施用污泥堆肥的短期影响作用.结果表明,在观测时间内,N₂O排放主要集中在前3周,约占总排放量的87.9%~95.6%.N₂O排放量均随污泥堆肥施用量的增加而增加（P<0.05）,裸地N₂O排放量高于种植作物处理.施用含生物质炭污泥堆肥能减少土壤N₂O排放,且随着施用量的增加,N₂O减少量越大（P<0.05）.CH₄排放量较低,在试验前期和后期主要为负,总体表现为吸收CH₄.各处理吸收CH₄主要集中在第18d以后,其CH₄吸收量占总吸收量的52.1%~66.7%.施用含生物质炭污泥堆肥处理CH₄吸收量比不含生物质炭污泥堆肥处理低35.2%~62.2%,同时,裸地CH₄吸收量明显高于种植作物处理（P<0.05）.CO₂排放也主要集中在18d以后,约占排放总量的50.5%~61.8%.种植作物能促进CO₂的排放,种植作物处理是裸地的1.34~1.57倍.在观测时间内,污泥堆肥土地利用是CH₄的弱吸收汇,是N₂O和CO₂的排放源,施加污泥堆肥能显著增加土壤N₂O和CO₂的排放.施用生物质炭污泥堆肥短期内能够减少温室气体总排放量,温室气体减排量达到20.41%~62.51%.     

南京轿子山生活垃圾填埋场温室气体释放的变化规律

垃圾填埋场是全球温室气体释放的重要来源. 在南京轿子山生活垃圾填埋场3个具有不同填埋龄(4~13 a)、覆土深度(30~100 cm)和有无填埋气收集系统的平台,采用静态箱气相色谱法对填埋场CH₄和N₂O的释放规律进行了研究. 结果表明:填埋龄与覆土深度对填埋场CH₄和N₂O的释放影响显著,与其他2个平台相比,填埋龄(10~15 a)长、覆土深度(80~100 cm)大且无填埋气收集系统的平台1的CH₄和N₂O四季及昼夜释放通量均相对较小,相差为2个数量级;虽然3个平台温室气体释放通量的昼夜和季节性变化规律并不一致,但在春季均出现最小值,CH₄和N₂O的最小释放通量分别约为30和186.49 μg/(m2·h). 夏季、秋冬季交替及冬春季交替时期,CH₄和N₂O的释放通量均出现峰值,晚上的释放量约占全天释放总量的70%左右. 垃圾填埋场是高度异质性体系,相关性分析表明,CH₄释放通量与覆土温度、覆土含水率无显著相关性,而N₂O释放通量却与这2个指标呈显著相关. CH₄释放通量季节和昼夜性变化较稳定,变异系数范围分别为13%~405%和43%~429%. N₂O释放通量的季节性和昼夜性变异水平较高,变异系数范围分别为15%~1 005%和17%~1 552%,因此有必要进行全时段监测.